החוקר הסמוי: גלאי-שקר אלקטרומגנטי

צוות חוקרים בראשותו של פרופ’ אהרון אגרנט מהאוניברסיטה העברית פיתח טכנולוגיה המאפשרת לייצר חתימה אלקטרומגנטית אישית ולזהות מצב נפשי של נבדקים, באמצעות תגובת העור לקרינה אלקטרומגנטית

מאת: רוני ליפשיץ

המאבק בטרור מאלץ את מנגנוני ההגנה לפתח שיטות גילוי ואיתור חדשניות, לזהות אנשים באמינות גבוהה ולבדוק את מצבם הנפשי, וכל זאת זאת בהתערבות מינימלית – אם כדי למנוע סתימות במעברי גבול ובכניסה למתקנים, ואם כדי לבצע בדיקה סמויה ללא ידיעת הנבדק.
בשנים האחרונות מבצע צוות חוקרים בראשותו של פרופ’ אהרון אגרנט (מייסד חברת קיארו) סדרה של מחקרים אשר עשויים לשנות באופן דרמטי את האופן שבו מערכות הביטחון והאכיפה בודקות חשודים. המחקרים מבוססים על התגובה הפיסיולוגית של הגוף לקרינה אלקטרומגנטית בתדרים גבוהים (Terahertz). הצוות של אגרנט מתמקד בתגובת העור לקרינה הזו, לאור האפשרות שהמבנה הייחודי של בלוטות הזיעה בעור מאפשר להתייחס אליהן כאל אנטנות זעירות לתדרים גבוהים מאוד.
לבדוק מבלי להזיע…
העור הוא האיבר הגדול ביותר בגוף ומשמש כממשק בין הגוף לבין העולם החיצון. אולם איבר זה הוא מורכב ביותר, ומבוסס על מבנה רב-שכבתי המספק מגוון רחב של תכונות ואמצעי חישה בזכות ריכוז של מנגנונים המצויים קרוב לפני השטח של הגוף.
אחד מהמבנים האלה הוא מערכת ההזעה, אשר נחשבת בעיקר כמנגנון לשמירה על טמפרטורת הגוף.  המרכיב העיקרי במערכת ההזעה הוא בלוטות הזיעה המצויות בשכבת ה-Dermis (השכבה הפנימית של העור) ומקושרות אל נקבוביות ההזעה ב-Epidermis (השכבה החיצונית של העור) באמצעות צינוריות מפותלות הממולאות בזיעה, שהיא תמיסה נוזלית מוליכה חשמלית.
מחקרים על מבנה מערך בלוטות ההזעה שנעשו בשנים האחרונות באמצעות מערכות טומוגרפיית לייזר, הראו שצינוריות ההולכה של הזיעה הן למעשה סלילים בעלי תכונות מובהקות של מוליכות חשמלית. ביחד עם העובדה שקיימים הבדלים ברמת הדיאלקטריות של הדרמיס ושל האפידרמיס, סברו החוקרים שניתן להתייחס אל בלוטות הזיעה כאל מעין אנטנות סליליות נמוכות Q.
האם ניתן באמת להתייחס אל מנגנון הזיעה כאל מערכת תקשורת אלחוטית אשר תגובתה לקרינה אלקטרומגנטית יכולה לספק מידע מדויק על מצבו של האדם הנבדק? ביחס לשאלה זו התעוררה בעיה. תנועת היונים בתוך נוזל הזיעה היא איטית מאוד בהשוואה לטווח התדרים המדובר. אולם קיים במערכות ביולוגיות מכניזם נוסף, המאפשר דילוג מהיר של פרוטונים בין מולקולות המקושרות ביניהן בקשרים כימיים מימניים (H).
קיומן של רשתות כאלה מוכר זמן רב, וגם ידוע שהזמן הממוצע לתנועת הדילוג של פרוטון הוא כ-10­ שניות. כלומר קצב התגובה עשוי להתאים לאיפיון תגובה בתדרי טרה-הרץ. התברר גם לחוקרים שכאשר לוקחים בחשבון את ההבדלים במידת החומציות (PH) שבין הדרמיס לבין שכבת העור החיצונית, דילוג הפרוטונים מגיב כאילו התחולל מעבר זרם חילופין בתוך סלילי ההזעה, אשר מפיק קרינה אלקטרומגנטית בתגובה לחשיפת לתדרים בתחום ה-EHF.
המושג קרינת טרה-הרץ מתייחס לקרינה אלקטרומגנטית בטווח תדרים המתחיל מקצה טווח המיקרוגל (300GHz), ועד לשוליים של קרינת אינפרה אדום רחוקה (3,000GHz). במונחי אורך גל, מדובר בקרינה באורך של 0.1-1 מ”מ. מבחינה פיסיקלית מדובר בתחום מעניין מאוד, בין השאר משום שהוא משמש כמעין קו הפרדה בין התחום שבו נוח יותר לנתח קרינה אלקטרומגנטית במשוואות גלים (טווח המיקרוגל), לבין התחום שבו כבר נוח יותר להתייחס אל  הקרינה כאל שטף של חלקיקים (אינפרא-אדום). לעתים היא מכונה גם בשם  EHF.

תוצאות מעודדות
בסך הכל, בגוף האדם מצויות 2-5 מיליון בלוטות זיעה המפוזרות על-פני רוב שטח הגוף, עם ריכוזים גבוהים יותר במספר אתרים, דוגמת כפות הידיים, כפות הרגליים והמצח. מכיוון שכל בלוטת זיעה מקושרת אל פני העור באמצעות מוליך סלילי, ניתן להתייחס אל העור כאל מערך של אנטנות סליליות הפועלות בטווח תדרי EHF, אשר כמות הזיעה המצויה בהן מגדירה את מאפייני המוליכות החשמלית שלהן, ואת התגובה של העור לקרינת EHF.
כבר בשנת 2007 ביצע צוות החוקרים בראשותו של פרופ’ אגרנט את הניסויים הראשונים שנועדו לבדוק טענה זו. הניסויים הראשונים בוצעו באמצעות נתח רשתות וקטורי (VNA) הפועל בטווח התדרים 75GHz-110GHz, וכדי להימנע מהפרעות הם בוצעו באמצעות מערכת גילוי לטווח קצר מאוד (near field measurements). בכל נבדק בוצעו סדרת בדיקות שהחלו 20 דקות לאחר ביצוע ריצה אינטנסיבית, שאחריהן הגיעו סדרה של בדיקות השוואתיות בכל דקה, כאשר הנבדק נרגע בהדרגה.
התוצאות הראו שהתגובה הספקטרלית של העור השתנתה בהתאם לרמת המאמץ או המנוחה הפיסית של הנבדקים (כלומר לכמות הזיעה בבלוטות). למעשה, התוצאות בניסוי התאימו להתנהגות הקרינה האלקטרומגנטית במודל ממוחשב אידיאלי של העור, הכולל בלוטות זיעה המדומות לסלילים מוליכים בעלי 2-4 ליפופים בקוטר של 60µm-80µm ובגובה של 300µm-350µm. מכיוון שיציבות הפרוטונים בתוך הסליל תלויה בקצב ההזעה, היה צפוי שמוליכות הסליל תשתנה בהתאם לרמת המאמץ או המנוחה של הנבדק, כפי שאכן התקבל בניסוי.

חיישנים מסוג חדש
סדרת הבדיקות הבאה בוצעה ממרחק, והתמקדה בכף היד של הנבדקים. היא הוחזקה במתקן שהבטיח את יציבותה במרחק של 22 ס”מ מאנטנת קרן (horn) בכניסה ל-VNA. הפעם הושוו נתוני הבדיקה גם לבדיקות פיסיולוגיות משלימות, כמו דופק, לחץ דם וטמפרטורת פני העור.
התוצאה הסופית של הניסויים הראתה שבסך הכל בלוטת הזעה מתנהגת כמו אנטנה סלילית בעלת Q נמוך, ותפוצתן בעור מאפשרת להתייחס אליו כאל מערך דו-מימדי של אנטנות הפועלות בטווח תדרי sub-terahertz  ומגיבות ברגישות בהתאם לרמת פעילות ההזעה.
ניתן לנצל תכונות אלה כבסיס לפיתוח חיישן המאפשר לבצע חישה מרחוק ולספק תמונה דו-מימדית של רמת פעילות בלוטות ההזעה של האדם הנבדק. במלים אחרות – חיישן המאפשר לגלות מרחוק תהליכים הקשורים להזעת יתר, כמו מחלות מסויימות, עצבנות, מתח ובעקיפין גם לשמש כמכונת אמת הפועלת מרחוק בלא מגע עם הנבדק – ובמקרים מסויימים אף בלא ידיעתו.

בהרצאה שהעניק בכנס מדעי בתחום הגנת המולדת (Homeland Security), הסביר פרופ’ אגרנט שהתגובה הספקטרלית של בלוטות העור לקרינה אלקטרומגנטית בתחום ה-75GHz-110GHz, היא בעלת תאימות גבוהה מאוד לרמת הפעילות הפיסית והמנטלית של בני האדם שנבדקו. אולם יותר מכך, “מכיוון שהמורפולוגיה של בלוטות הזיעה בעור, כלומר האופן שבו הן מפוזרות בעור, היא ייחודית לכל אדם, קיימת אפשרות לייצר ‘חתימה אלקטרומגנטית ייחודית’ לכל אדם.
“מטרת המחקר שלנו היא לפתח טכנולוגיה גנרית לניטור מרחוק של חתימות ביומטריות ומצבים נפשיים של בני אדם, בהתבסס על מאפייני החזרת הקרינה האלקטרומגנטית מהעור. היעד הסופי הוא לפתח שיטת ניטור לא חודרנית וללא מגע, על מצבו הנפשי של הנבדק, שתהיה יעילה בתהליכי הבדיקה המקובלים במערכות בקרת כניסה לאתרים, וליישומי גלאי שקר (מכונת אמת). להערכתנו הטכנולוגיה יכולה להגיע לרמת אמינות ושימוש כמו של המגנטומטר הנמצא היום בשימוש נרחב כאמצעי לגילוי מתכות”.

מכ”ם המסתכל אל תוך הגוף
המחקר שמבוצע בישראל אינו המחקר היחיד המתמקד ביישומי קרינה אלקטרומגנטית בתדרים גבוהים לצורך חקירת הגוף. בשנים האחרונות מפתחת קבוצת חוקרים בגרמניה במימון קרן המחקר הגרמנית
German Research Foundation, טכניקה חדשה לסריקת הגוף המבוססת על היתוך (Fusion) של אותות המגיעים מסורק MRI סטנדרטי, ביחד עם אותות ממכ”ם UWB (ultra-wideband) הפועל בטווח התדרים 1GHz-10GHz.
היתרונות הבולטים ביותר של המכ”ם הם ביכולתו להשיג רזולוציה מרחבית גדולה, קבלת תוצאות מהירות ושימוש באנרגיה נמוכה מאוד לצורך חדירת הקרינה אל תוך הרקמות. בימים אלה הקבוצה מפתחת מודלים המתארים את תגובת ההיענות של הרקמות השונות, ובודקת אנטנות שידור שונות. הדוגמה הזו, לצד הטכנולוגיה לניטור העור המפותחת בישראל, ממחישות כי בפתח המאה ה-21 מתגלים יישומים חדשים ומפתיעים המבוססים על היכולת לשלוט בקרינה אלקטרומגנטית – שאינם קשורים לתחום התקשורת.